荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程教學(xué)中工程事故案例的巧運(yùn)用

姚剛峰，劉國(guó)建，孫岳陽(yáng)，蔡新江，陳 鑫

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程（以下簡(jiǎn)稱“荷載課”）是土木工程專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程主要涵蓋兩大部分內(nèi)容：講授工程結(jié)構(gòu)可能承受的各類(lèi)荷載及其量化計(jì)算方法；講授結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念、可靠度原理及基于可靠度的規(guī)范設(shè)計(jì)方法，見(jiàn)表1。其中，第一部分涉及各類(lèi)不同荷載，內(nèi)容繁雜，且部分知識(shí)點(diǎn)與其他課程存在一定的交叉重疊[1]。其優(yōu)勢(shì)在于，相較第二部分更易為學(xué)生所接受。第二部分則理論性較強(qiáng)，涉及大量公式推導(dǎo)，對(duì)學(xué)生概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等高等數(shù)學(xué)課程的掌握程度要求高，學(xué)習(xí)難度大[2]。實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般流程為：將理想化荷載作用于由實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而得的模型上，進(jìn)行荷載效應(yīng)計(jì)算和結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，使得結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抵抗能力R 大于荷載效應(yīng)S（包括內(nèi)力、變形、裂縫寬度等各類(lèi)廣義效應(yīng)）[3]。而荷載課作為一門(mén)介紹如何確定荷載的課程，其重要性可見(jiàn)一斑。

表1 課程主要內(nèi)容

結(jié)合教學(xué)實(shí)踐及有關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了本課程目前存在的一些問(wèn)題，例如：①學(xué)生對(duì)本課程重要性的認(rèn)識(shí)不足，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果不理想[4-5]；②章節(jié)內(nèi)容間跳躍性大，知識(shí)點(diǎn)碎片化，缺乏嚴(yán)密邏輯性[6-7]；③講課局限于教材知識(shí)點(diǎn)的介紹，缺乏對(duì)深層次科學(xué)問(wèn)題的拓展延伸。筆者通過(guò)自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在授課過(guò)程中若能合理穿插適量工程事故案例，將有助于改善上述問(wèn)題。下文首先結(jié)合具體教學(xué)實(shí)例，歸納了工程事故案例在“提升重視度、導(dǎo)入新內(nèi)容、強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)、培養(yǎng)求知心”等四方面的積極作用并展開(kāi)了詳細(xì)分析。其次，對(duì)在教學(xué)過(guò)程中如何選取和利用工程事故案例，分享筆者的幾點(diǎn)體會(huì)。

一 工程事故案例的用途

（一）提升重視度

利用由荷載確定不合理或荷載隨意改變引起的工程事故，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到本課程的重要性，提高其職業(yè)道德感和責(zé)任感，在“樹(shù)人”的同時(shí)促進(jìn)“立德”[8]。以樓屋面活荷載為例，國(guó)內(nèi)外各類(lèi)房屋改建誘發(fā)的倒塌事故屢見(jiàn)不鮮。如2004 年8 月29 日當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨，巴西瓜魯柳斯市一家夜總會(huì)樓面發(fā)生坍塌，造成6 人死亡，100 多人受傷。根據(jù)調(diào)查顯示，該夜總會(huì)由辦公樓改造而成，改造后的實(shí)際荷載明顯大于原設(shè)計(jì)荷載，又未充分進(jìn)行重新評(píng)估，這是導(dǎo)致此次事故的主要原因。以我國(guó)荷載規(guī)范為準(zhǔn)[9]，辦公樓的樓面設(shè)計(jì)荷載為2 kN/m2（約每平方米站立3～4 人），而對(duì)于人員相對(duì)集中的娛樂(lè)場(chǎng)所該值為3 kN/m2，即改建后實(shí)際荷載較設(shè)計(jì)值提高50%。就實(shí)際情況而言，事發(fā)時(shí)夜總會(huì)內(nèi)共有1 000 多人，超載現(xiàn)象應(yīng)更為嚴(yán)重。同樣的，國(guó)內(nèi)也時(shí)有類(lèi)似事故發(fā)生，如2022 年長(zhǎng)沙“4·29”樓房坍塌事故、2021 年蘇州吳江“7·12”酒店坍塌事故等。通過(guò)此類(lèi)案例的事故原因分析，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到荷載大小確定不準(zhǔn)確或隨意變化時(shí)，可能帶來(lái)巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失，有助于提高對(duì)本課程學(xué)習(xí)的重視程度。

（二）導(dǎo)入新內(nèi)容

通過(guò)工程事故案例視頻或圖片資料，使不同章節(jié)內(nèi)容間的過(guò)渡相對(duì)順暢。以風(fēng)荷載為例，其講課主線基本圍繞風(fēng)荷載計(jì)算公式（wk=βzμsμzw0）中各參數(shù)如何確定展開(kāi)：基本風(fēng)壓w0→高度變化系數(shù)μz→體型系數(shù)μs→風(fēng)振系數(shù)βz。簡(jiǎn)言之，風(fēng)荷載大小wk是在基本風(fēng)壓基礎(chǔ)上，考慮高度變化、建筑物形狀及風(fēng)振等因素影響得到的。根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生通常對(duì)高度變化和建筑物形狀對(duì)風(fēng)荷載大小的影響有感性認(rèn)識(shí)。如山頂風(fēng)大，山腳風(fēng)小（高度影響）；流線型好的物體風(fēng)阻力小（形狀影響）等。這使得學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的接受更為順暢。然而，學(xué)生對(duì)風(fēng)振效應(yīng)的認(rèn)識(shí)基本是空白的。因此，在從體型系數(shù)向風(fēng)振系數(shù)過(guò)渡時(shí)，若直接提出風(fēng)振系數(shù)概念，則存在較大跳躍性。此時(shí)，可引入由風(fēng)振效應(yīng)導(dǎo)致的工程事故案例，如1940 年美國(guó)華盛頓州塔科馬橋垮塌事故（圖1），起到“緩沖”作用。一方面，通過(guò)視頻資料可吸引學(xué)生注意力，提高學(xué)習(xí)興趣。另一方面，可令學(xué)生對(duì)何謂風(fēng)振及其不良后果產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)。在此之后，再引出需要考慮風(fēng)振影響及風(fēng)振系數(shù)如何確定，就顯得更加順理成章。

圖1 風(fēng)振效應(yīng)下塔科馬橋垮塌

（三）強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)

利用特定條件下發(fā)生的工程事故，對(duì)學(xué)生就某一具體知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)或記憶進(jìn)行強(qiáng)化。以側(cè)向土壓力為例，為強(qiáng)調(diào)其大小與土體容重之間的關(guān)系，可引入2004 年廣州市華南快速干線廣園站東輔道擋土墻塌方事故進(jìn)行說(shuō)明，圖2（a）所示為事故現(xiàn)場(chǎng)照片。該事故中，土體應(yīng)已達(dá)到主動(dòng)土壓力臨界狀態(tài)，擋土墻在該土壓力作用下發(fā)生破壞。誘發(fā)此次事故的一個(gè)重要原因是當(dāng)?shù)匕l(fā)生連日暴雨，路基中泥土吸收水分后容重增大。而以黏性土為例，其主動(dòng)土壓力計(jì)算理論中側(cè)向土壓應(yīng)力σa隨容重的增大而增大（σa=，γ 為土容重，z 為深度，Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)，c 為土體黏聚力，如圖2（b）所示）。當(dāng)土體充分吸水致側(cè)向土壓應(yīng)力的合力超出擋土墻所能承受的荷載時(shí)，即發(fā)生塌方。該案例有助于學(xué)生加深對(duì)“土體容重越大，側(cè)向土壓力越大”的理解。又如，在確定屋面雪荷載時(shí)，需要考慮不均勻分布的影響，局部某些位置系數(shù)值需提高，這與雪的漂積作用及屋面形狀有關(guān)。以高低跨鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，高低屋面鄰接處雪更易堆積，其荷載值約為其他位置的2倍。若忽視該作用，可能發(fā)生由局部荷載過(guò)大引起的失穩(wěn)倒塌事故（圖3）。再如，在采用底部剪力法確定地震作用時(shí)，對(duì)于突出建筑物屋面的附屬構(gòu)件需乘以放大系數(shù)3。這是由于附屬構(gòu)件重量和剛度突然變小，高階振型的影響增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)端部的地震作用放大，即所謂鞭端效應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)實(shí)際震害調(diào)查中電梯房、女兒墻、煙囪等附屬構(gòu)件嚴(yán)重?fù)p毀的案例，對(duì)該知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化。類(lèi)似案例可將理論與實(shí)際有機(jī)結(jié)合。相關(guān)理論可用于解釋事故發(fā)生的原因。反過(guò)來(lái)，相應(yīng)事故又可驗(yàn)證理論的合理性。

圖2 廣州擋土墻坍塌事故分析

圖3 雪荷載下某輕鋼廠房倒塌

（四）培養(yǎng)求知心

土木工程領(lǐng)域的眾多研究均源自于實(shí)際工程事故。如針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)連續(xù)性倒塌的研究，起源于1968 年英國(guó)Ronan Point 公寓燃?xì)獗ㄕT發(fā)的局部連續(xù)倒塌事故。而在2001 年美國(guó)“9·11”事件紐約世貿(mào)中心雙子塔遭飛機(jī)撞擊倒塌后的近20 年內(nèi)，這一課題更是持續(xù)受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。在講解爆炸作用時(shí)，引入了這兩個(gè)由爆炸引發(fā)的連續(xù)倒塌事故（圖4），并請(qǐng)學(xué)生課后自主查閱有關(guān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌方面的研究文獻(xiàn)。由課堂反饋可知，學(xué)生對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生連續(xù)倒塌時(shí)的壓拱效應(yīng)及懸鏈效應(yīng)等基本受力機(jī)制已具備初步的認(rèn)識(shí)[10]。又如，在介紹臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)等極端風(fēng)荷載災(zāi)害時(shí)，要求學(xué)生課后查找有關(guān)臺(tái)風(fēng)的形成原因等。類(lèi)似工程事故的引入及課后延伸作業(yè)的布置，有助于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)深層次學(xué)問(wèn)的一種求知心。這種求知心是目前很多普通高校本科生所缺乏的，而它又是未來(lái)工作或進(jìn)一步深造過(guò)程中不可或缺的一種素養(yǎng)。因此，對(duì)學(xué)生相關(guān)素質(zhì)的培養(yǎng)是十分必要的。

圖4 結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌事故案例

以上四點(diǎn)作用中，“提升重視度”是重中之重。只有調(diào)動(dòng)起學(xué)生的主觀能動(dòng)性，才能從根本上提升教學(xué)質(zhì)量和效果。而借助工程事故案例去發(fā)揮其在“導(dǎo)入新內(nèi)容、強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)、培養(yǎng)求知心”等方面的作用，則是從技巧層面促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。當(dāng)然，除上述四點(diǎn)外，工程事故案例還具備更多有待歸納和總結(jié)的積極作用，值得在后續(xù)教學(xué)中深入挖掘。

二 具體實(shí)踐策略

（一）案例選擇與搜集

在利用工程事故案例展開(kāi)教學(xué)時(shí)，需有選擇性地去搜集相關(guān)案例。筆者認(rèn)為在選擇案例時(shí)可遵循三條原則：準(zhǔn)確性、典型性、時(shí)效性。其中，準(zhǔn)確性應(yīng)包含兩個(gè)層面。其一，指所選案例的相關(guān)信息是準(zhǔn)確真實(shí)的，應(yīng)以官方調(diào)查報(bào)告或報(bào)道為依據(jù)。其二，案例應(yīng)可準(zhǔn)確反映所需闡明問(wèn)題的本質(zhì)。例如，將塔科馬橋事故用于說(shuō)明建筑物形狀對(duì)風(fēng)荷載作用的影響是不恰當(dāng)?shù)摹Ｊд娴陌咐赡軐?dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解的偏差，也不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)穆殬I(yè)素養(yǎng)。典型性指所選案例應(yīng)具有一定代表性和國(guó)際性。以前文中塔科馬橋事故和Ronan Point 公寓事故為例，兩者均是國(guó)際上具有代表性的經(jīng)典案例。它們分別引起人們對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)振效應(yīng)和連續(xù)倒塌的關(guān)注，從而大大推動(dòng)有關(guān)領(lǐng)域研究的進(jìn)步。借助典型案例進(jìn)行授課，可使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)脈絡(luò)的把握更為全面，且有利于其國(guó)際視野的拓寬。在滿足前兩條原則的基礎(chǔ)上，盡可能選擇近期發(fā)生的熱點(diǎn)事件，可使學(xué)生更具代入感，即所謂時(shí)效性。以1976 年唐山大地震與2008 年汶川地震為例，兩者均為新中國(guó)成立以來(lái)發(fā)生的重大地震災(zāi)難事故。然而，相比于唐山地震，汶川地震明顯對(duì)當(dāng)前的學(xué)生更具時(shí)效性。大家對(duì)汶川地震或多或少是有所見(jiàn)聞的，對(duì)于四川地區(qū)的同學(xué)尤甚。選擇合適的工程事故案例加以利用，可獲得事半功倍的教學(xué)效果。

（二）案例剖析

結(jié)合實(shí)際教學(xué)，上文給出了工程事故案例在授課過(guò)程中潛在的四種用途。對(duì)此，有必要先從教學(xué)用途角度對(duì)所選案例進(jìn)行仔細(xì)分析，明確其一般性與特殊性。理論上，絕大多數(shù)與荷載確定有誤相關(guān)的工程事故皆可用于說(shuō)明本課程的重要性，提高學(xué)生重視程度，即為一般性。而就特殊性來(lái)說(shuō)，某一案例可能具備除“提升重視度”外的一種或多種用途。同樣以塔科馬橋事故為例，其一般性為可用于說(shuō)明忽視某種荷載效應(yīng)可能引發(fā)工程事故，突出掌握本課程內(nèi)容的重要性；而其特殊性在于，該工程事故所忽略的具體效應(yīng)是風(fēng)振效應(yīng)，故可用于引出風(fēng)振效應(yīng)的相關(guān)內(nèi)容。簡(jiǎn)言之，某一案例往往具備多種用途，需從一般性和特殊性兩方面綜合考慮，找出合適的落腳點(diǎn)，做到“例盡其用”。一般而言，具有一般性的案例比比皆是，而能體現(xiàn)特殊性的案例則需要悉心搜集。物以稀為貴，應(yīng)盡量發(fā)揮案例的“特殊性”作用。顯然，將塔科馬橋事故用于引出風(fēng)振效應(yīng)比突出課程重要性更具價(jià)值。

（三）案例融合

確定具體用何案例及用于何處后，需要將案例自然地融入到教案設(shè)計(jì)和課件制作中。教案設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮一定的邏輯性。在實(shí)際授課時(shí)，需悉心組織語(yǔ)言，使學(xué)生的思維緊跟老師的引導(dǎo)。呈現(xiàn)形式方面，PPT 課件中應(yīng)盡量減少對(duì)工程事故案例的文字表述，多采用視頻或圖片方式，更利于學(xué)生理解和加深印象。

根據(jù)上文內(nèi)容，圖5 中歸納了將工程事故案例用于教學(xué)時(shí)的具體策略，主要包括3 個(gè)步驟。首先，根據(jù)“準(zhǔn)確性、典型性、時(shí)效性”原則選擇并搜集與課程相關(guān)的“好案例”；其次，剖析案例的一般性與特殊性，將其用于“刀刃上”；最后，通過(guò)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕贪冈O(shè)計(jì)和優(yōu)良的課件制作，將案例融入教學(xué)，充分發(fā)揮其作用。

圖5 工程事故案例運(yùn)用策略

三 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法課程教學(xué)中學(xué)生重視程度不夠、章節(jié)內(nèi)容跳躍性大、深層次學(xué)問(wèn)延伸不足等問(wèn)題，筆者在教學(xué)過(guò)程中進(jìn)行了一些思考和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)以實(shí)際工程事故案例為載體開(kāi)展教學(xué)，在改善上述問(wèn)題方面具有積極作用。選取恰當(dāng)?shù)墓こ淌鹿拾咐┎逵谡n程教學(xué)中，將有助于提高學(xué)生對(duì)本課程的重視程度、促進(jìn)各章節(jié)內(nèi)容間的順暢過(guò)渡、強(qiáng)化學(xué)生對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)、鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)深層次科學(xué)問(wèn)題的探索。此外，筆者就具體應(yīng)如何在荷載課教學(xué)中運(yùn)用事故案例的策略，給出了自身的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。最終，希望能夠通過(guò)教學(xué)過(guò)程中的不斷實(shí)踐與探索，提高課程教學(xué)質(zhì)量，為新時(shí)代“大土木”背景下的專業(yè)人才打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。